Знаете ли вы, что такое кварки? Конечно нет, иначе зачем бы вам сюда заходить. Кварки – это основной строительный материал Вселенной. Из них состоит вся видимая материя, то есть все, что вас окружает.
Если бы вы могли увеличить любой атом в любом предмете и даже на собственной руке, вы бы увидели, что он состоит из электронов, кружащих по орбите вокруг ядра, состоящего из протонов и нейтронов. При еще большем увеличении вы могли бы заглянуть внутрь самих протонов и нейтронов, чтобы увидеть там три еще более мелкие частицы, которые почти не имеют размера и массы. Даже при огромном увеличении они выглядели бы максимум как крохотные точки. Эти точки и есть кварки.
То есть кварки – это элементарные частицы, как и электроны, которые тоже не состоят ни из каких других частиц. Если представить Стандартную физическую модель как здание, то кварки будут его фундаментом.
Открытие кварков
Теория о существовании кварков была выдвинута в 1964 году физиками Мюрреем Гелл-Манном и Джорджем Цвейгом, работавшими в Калифорнийском технологическом институте. Однако свои теории они выдвинули независимо друг от друга после многолетнего труда, основываясь при этом на открытия других ученых в области элементарных частиц. Хотя в СМИ все это часто упрощают и пишут, что они чуть ли не с потолка взяли это предположение, просто «догадавшись».
Уже к середине двадцатого века ученые начали создавать библиотеку всех известных на тот момент частиц. Это было больше похоже не на физику, а на ботанику, так как они по сути просто вносили в каталог разные виды и характеристики. Им остро не хватало одной важной детали – теории, объясняющей существование всего этого. В конце концов такая теория появилась, и вы знаете ее как Стандартную модель. Но для того, чтобы к ней прийти, в то время нужно было заполнить еще очень много пробелов, включая открытие кварков.
Наиболее загадочными считались частицы под названием гипероны. Они нестабильны и быстро распадаются, но не на те составляющие, на которые должны. Гелл-Манн тогда понял, что в этом случае работает какое-то пока неизвестное квантовое свойство, которое он назвал просто «странностью».
Таким образом, к заряду и вращению добавилось новое квантовое число – странность. В три показателя должны сохранятся, то есть, если частица распадается с конкретным квантовым числом, то все ее побочные продукты в сумме должны иметь те же квантовые числа. Более того, все они могут принимать значения лишь в определенном диапазоне, что называется степенью свободы или мультиплетами. Именно схема, согласно которой мультиплеты располагаются между разными частицами, привела Гелл-Манна и Цвейга к тому, что все это можно объяснить существованием двух-трех более мелких частиц, из которых состоят частицы побольше.
Изначально Цвейг назвал их «тузами», но имя не прижилось. Гелл-Манн всегда любил более громкие и запоминающиеся названия, поэтому прозвал их кварками, взяв это слово из романа Джеймса Джойса «Поминки по Финнегану». Там в одной запоминающейся фразе кварками назвали трех детей главного героя Марка: «Три кварка для Мастера Марка!».
Кварки поделили на верхних, нижних и странных. Первые две группы на самом деле почти ничем не отличаются, так как оба имеют квантовое число странности 0. А вот в третьей этот показатель равен -1.
Кварки в квантовой физике
Несмотря на то, что теория казалась правдоподобной и весьма логичной, она прижилась не сразу, так как никто в то время не мог доказать существование кварков экспериментально. Это случилось лишь через четыре года, в 1968-ом, в Стэнфордском центре линейных ускорителей в Калифорнии. В ходе эксперимента ученые выстреливали в протоны сначала электронами, а потом мюонами, чтобы доказать, что и те, и другие, рассеиваются на трех мелких частицах, содержащихся внутри протонов. Более того, они даже доказали, что у каждой из этих частиц есть собственный заряд. Этими частицами были кварки.
Как оказалось, всего существует не три, а шесть типов (ароматов) кварков: верхние, нижние, странные, очарованные, красивые и истинные. Все они имеют свой набор квантовых чисел, а также собственную массу. Например, истинный кварк самый тяжелый, а верхние и нижние – самые легкие. Причем разница между ними огромная: в 61 тысячу раз. Почему истинный кварк настолько тяжелый, неясно до сих пор, но он все равно очень быстро распадается на кварки полегче. Верхние и нижние кварки настолько малы, что ученые знают об их существовании исключительно благодаря ускорителям частиц, например, БАК, которые могут создавать их на короткое время.
Дополнительную сложность в изучении кварков добавляет тот факт, что они не могут существовать сами по себе в нормальных условиях. Все они связываются друг с другом сильным ядерным взаимодействием, образуя составные частицы под названием адроны. В эту категорию входят мезоны (состоят из двух кварков) и барионы (из трех). Последние в свою очередь делятся на протоны (два верхних и один нижний кварк) и нейтроны (один верхний и два нижних). Отдельно можно выделить тетракварки, которые, как можно догадаться по названию, состоят из четырех элементарных частиц, и пентакварки – из пяти. Некоторые из таких частиц даже почти стабильны, но в конечном итоге все равно подвергаются распаду.
Поведение кварков регулируется моделью, которая называется квантовой хромодинамикой (КХД), которая «стыкует» их с теорией квантовой физики. Приставка «хромо» определяет «цвет» кварка. Но дело не в том, что одни синие, а другие желтые. В данном случае цвет определяет название конкретного квантового числа, которым обладает кварк. Если вам так будет проще, воспринимайте цвет в сильном взаимодействии тем же самым, что заряд в электромагнитном. То есть, одинаковые цвета будут отталкиваться, а разные (цвет и его антицвет) – притягиваться, создавая устойчивые пары кварков. И, как и в случае с другими квантовыми числами, цвет тоже всегда должен сохраняться.
Большой взрыв и кварк-глюонная плазма
Сила, связывающая кварки в адронах, не возникает из ниоткуда. Она переносится другими элементарными частицами, которые называются глюоны. Эти частицы метаются между кварками, заставляя их объединяться друг с другом с помощью сильного взаимодействия. Чтобы разделить кварки потребуется невероятно большое количество энергии (не зря же взаимодействие сильное). Настолько большое количество сырой энергии во Вселенной существовало лишь в период от 10 миллиардных долей секунды до одной миллионной доли секунды после Большого взрыва, когда температура была примерно два триллиона градусов по Цельсию. В этот мимолетный период новорожденная Вселенная была заполнена особым агрегатным состоянием материи, называемым кварк-глюонной плазмой. Воспринимайте ее как суп из свободноплавающих частиц. Нет, это не метафора, ее правда называют кварковым супом. По мере того, как новорожденная Вселенная начала расширяться, температура и давление стали падать, а кварки – сплетаться друг с другом в адроны. Последние в итоге и стали основным материалом всей видимой материи во Вселенной. Буквально всей: звезды, планеты, ваш телефон, ваша собака, вы сами.
Несмотря на то, что в природе кварк-глюонная плазма существовала лишь в начале времен, то есть почти 14 миллиардов лет назад (13,8), ученые смогли воссоздать ее в наше время. Это стало возможным благодаря ускорителям частиц, в которых сталкивались тяжелые ядра со скоростью очень близкой к скорости света. Впервые такой эксперимент был проведен в суперпротонном синхротроне ЦЕРН в 2000 году. Такие исследования кварк-глюонной плазмы на ускорителях частиц позволяют получить больше информации о Вселенной и материи сразу после Большого взрыва. И они все еще продолжаются.
Кварковые звезды
На самом деле Большой взрыв – не единственное природное явление, обеспечивающее столь экстремальные выбросы энергии, чтобы кварки могли разделиться. Еще одно такое место – гипотетический объект под названием «кварковая звезда».
При условии, что они вообще существуют, кварковые звезды представляют собой экстремальные нейтронные звезды, которые не прошли стадию коллапса и не стали черными дырами. Нейтронные звезды – самые плотные объекты во Вселенной, которые рождаются при взрыве сверхновой. Имея размеры с небольшой земной город (около 10 км), они обладают массой в полтора раза больше солнечной. То есть примерно одна столовая ложка составляющего их материала весит как Эверест.
В процессе вспышки сверхновой внешние слои звезды «сдуваются», а ядро коллапсирует под действием гравитации. Из-за этого давление становится огромным, вследствие чего даже положительно заряженные протоны превращаются в отрицательно заряженные электроны. Затем их заряды компенсируются, образуя нейтральные нейтроны.
Но в теории ядра умирающих звезд могут становиться еще более плотными. В таком случае даже нейтроны начнут распадаться на кварки. Такие объекты и называются кварковыми звездами, и они все еще остаются гипотетическими, так как никто пока не может подтвердить, что они действительно существуют.
Однако несколько кандидатов на эту роль все же есть. Это нейтронные звезды с гораздо меньшим диаметром и большей массой, чем обычно. Одним из кандидатов является звезда, родившаяся не из сверхновой, а в результате слияния двух других нейтронных звезд. Она называется GW 190425 и была обнаружена детекторами гравитационных волн LISA и Virgo в 2019 году. Масса этого объекта составляет примерно 3,11-3,54 масс Солнца. Это слишком много даже для нейтронной звезды, которая в теории не может превышать 2,4 массы Солнца. Но и слишком мало для черной дыры, которая должна весить как минимум 5 масс Солнца. Так может это все-таки и есть кварковая звезда?
Также существует теория, что нейтронные звезды могут быть гибридными, со внешними слоями из своего обычного материала, а внутренними – из кваркового вещества.
